音频功率放大器的设计70848.doc

武汉理工大学专业课程设计(一)课程设计说明书 目录1 技术指标12 设计方案及其比较12.1 方案一12.2 方案二22.3方案比较33 方案实现43.1元件简介53.2 该方案的优点74 调试过程及结论75 心得体会96 参考文献11音频功率放大器的设计1 技术指标设计一音频功率放大器；要求输入信号vi=10mv,频率f=1khz，负载电阻为8，输出功率po1w。2 设计方案及其比较 各种放大电路的本质都是对能量的转换和控制，无论哪种放大电路，在最后输出的负载上都同时会有输出电压vo，输出电流io以及输出功率po。而任何放大电路，无论是对其电压进行放大，还是对电流进行放大，最终都会有功率放大的作用。但要注意的是，在功率放大电路的输出级，父负载往往都是低阻值负载，例如我们本实验所用的喇叭，其阻值就只有8，因而我们在设计电路的时候就要考虑放大电路接负载的能力，也就是放大电路本身的输出电阻要尽量小一点，这样就会增加其带负载的能力，所以通过我们所学的知识，带负载能力最强的放大电路是共集电极放大电路，所以在使用分离元器件设计放大电路的时，就要使用此种组态的放大电路。 当然在设计音频功率放大器时，我们不得不考虑的一个因素就是音频信号经过放大后，最终输出信号的失真情况。因而我们在设计电路时，就要考虑如何去减小电路的非线性失真。在功率放大电路中，如果输出功率过大，非线性失真就会非常严重。而且本身音频设备对信号的输出限制非常多，也就是对电路的非线性失真的要求非常高，所以实际设计中这一点也是很关键的。2.1 方案一 图1 同相运算放大电路方案一 同相运算放大电路，采用的是两级电压放大，使用两个运算放大器，按照技术要求，输入信号为10mv，输出负载电阻为8，输出功率po1w，因而根据 （1） 可得，因为po1w，r=8，所以可得v2v，再根据av= （2）可得两级放大倍数之积至少为400倍。 在理论上，可以通过一个运算放大器以及其电阻的合理设置将其电压的放大倍数调制在大于等于400倍这个水平。而且本身运算放大器的倍数也不存在过多的限制，但是实际中如果采用一级放大可能在实验器材的选取上会受到一定的限制，电阻的选择可能没法达到设计的参数，因而也会导致实验最后的结果与理论值偏离太多。经过思考，我最终决定采用前后两级放大电路，放大倍数在前后两级可以适当设置，所以我把放大倍数都设计为20倍，在实际从操作时，选用两个1k，两个20k即可满足实验技术要求。在图一中可以看到，根据运算放大器的特性，理论上可得 (3) 即 所以在误差允许的一定范围内，实际选用的电阻可以将最终的放大倍数调到441，完全达到设计要求。2.2 方案二 图2 甲乙类互补对称功率放大电路方案二采用的依旧是两级放大电路。 第一级为分离元器件构成的放大电路，使用了三极管、二极管、电阻，形成了一个甲乙类互补对称电路。在图二中，我们看到，q3为前置的放大器，其组态是共集电极放大电路。二极管d1、d2可以提供偏置电压（如果不使用两个二极管提供电压偏置，当输入信号很小的时候，因为达不到三极管的开启电压，而使两个三极管均不导通，输出电压就会为零；但是当输入信号略大于开启电压时，三极管虽然能导通，但输出波形仍会有一定程度的失真。）可以有效的消除输出信号的交越失真，因而输出也会有比较好的线性关系。 由于三极管q1、q2互补对称，形成推挽输出的结构。在静态时，流入后级电路的输出就为零，所以经过第二级放大后负载上得到的电压也为零，没有输出功率。动态时，q1、q2轮流导通，两个三极管的导通角略大于180，在负载上就可以得到一个完整的正弦波信号。 第二级为一个运算放大器，作用就是放大电压，其放大倍数可以根据所接反馈电阻自行设置。理论公式同方案一公式（1）. 2.3方案比较 方案一，整体电路比较简单，而且原理明了，就是使用两个运算放大器，放大其电压，最终电路将放大后信号电压信号（音频信号），送到负载。但是该方案总体上没有考虑信号的失真，因而可能会使最终的输出存在一定的非线性失真。而方案二，在信号的失真上，做了非常好的处理，使用甲乙类互补对称功率放大电路，可以非常有效地消除其交越失真，但是该方案相比方案一存在一个比较突出的问题，使用分立元器件，第一级前置放大电路的放大倍数具有不确定性，而且在实际使用时，三极管的特性可能随环境的改变而发生变化，后一级运算放大器的放大倍数设置也就可能需要一定的变化，因而比较麻烦，该方案在理论上是切实可行的，通过protues仿真也能正常实现设计要求，但根据实际还是不太理想的方案。3 方案实现 图3 使用集成功率放大器的功率放大电路 方案三，总体上来说，还是两级放大电路。第一级使用一个运算放大器，实现电压的放大；第二级使用的是一个集成功率放大器，实现功率的放大。按照所给的元器件第一级的运算放大器型号为lf353，后级集成功率放大器的型号为lm386。 3.1元件简介lf353为一个双运算放大器件，其总共有八个引脚。其他相关参数为下所述： 典型双电源电压：5, 9, 12, 15v 最大双电源电压： 18v 最大电源电流 ：6.5ma 最大输入偏置电压：10mv 最大输入偏置电流：0.0002a结构图： 图4 lf353引脚图lm386为一个集成功率放大器，其总共有八个引脚。其他相关参数如下：工作电压范围宽，4-12v or 5-18v； 输入电压0.4v 电压增益可调，20-200； 图5 lm386引脚图使用方法：a.减少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直+耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；b.通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20第7脚（bypass）的旁路电容不可少。实际应用时，该端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。 电路具体分析：通过查资料可以知道，因为lm386的内置放大倍数最大为20，所以按照设计需要，我们需要将其放大倍数调整为200。参照所给的器件使用方法，具体做法，由图三，可以看到，在引脚1和引脚8之间连接一个电容即可改变其放大倍数，其中引脚1接电容的正极，大小为10uf。lm386的引脚7需要接一个旁路电容，另一端连接到地，起滤除噪声的作用。在输出引脚，并联一个电阻和电容，其作用是为了消除高频的噪声。根据经验以及实际提供元器件，所得其值设为，电阻设为4.7k，电容设置为0.047uf。另外在将放大电路连接到负载之间，还连接了一个耦合电容，其作用有二点。1.隔断直流电压，保护负载；2.耦合音频的交流信号。其值的设置，根据所学的rc电路的频率响应，因为输入信号为1khz，该电路的输出端为rc高通电路，也就是低频响应为了保证该频率在频率特性曲线图处于通频带，所以我们需要该rc电路的截止频率设置为小于1khz，由公式，即因为，所以可得由实际所给元器件，选择220uf的电容。 由后一级lm386的放大倍数200倍，我们需要将前一级lf353的放大倍数设置为2倍，通过选择其反馈电阻，由公式（1）可得，反馈电阻实际选取为10k 。 根据实验所提供的电源，我们将lm386的偏置电压设置为+12v，lf353的偏置电压设置为+12v；-12v。 3.2 该方案的优点 使用集成功率放大器，其不仅具有体积小、重量轻、成本低、外围元件少、安装调试简单、使用方便等优点，在性能上也优于分离元器件。而且很好地解决了信号的失真问题，也有效得避免了交越失真的出现。4 调试过程及结论 第一阶段，我们小组的成员对调试中所需要用到的实验仪器，信号发生器、直流稳压电源、数字示波器进行了熟悉与了解，明白其使用方法，以及需要注意的事项。 第二阶段，需要解决信号源的问题。因为按照试验的要求，输入信号的幅值为10mv，而我们得到的信号发生器，经过调节，并作衰减处理后，我们所得到的实际最小电压为70mv。当时我们也没有滑动变阻器，因而就地取材，选择了两个20k和一个100k的电阻串联，由图表示为如下： 图6 由串联电阻取信号由此电路结构我们可以得到信号生器输出电压的，实际操作时，我们使用数字示波器测量了该结构的输出信号，很接近理论值，因而我们成功得到了10mv的输入信号。第三阶段，将所有的导线按照要求连接完成，并进行实际操作。 图7 信号发生器 图8 面包板布线 图9 直流稳压电源第四阶段，观察输出波形。刚开始，我们都无法得到准确的波形。有时，波形完全是一片模糊，有时波形是正常的正弦波，这是我们会非常兴奋，但是我们利用数字示波器读出其峰峰值时，却会发现与要求所要达到的值不吻合。我们做了一些尝试。 1.改变第一级放大电路的反馈电阻阻值。因为原来使用的是10k的电阻，但是考虑到其阻值可能存在一定的偏离，会影响其放大倍数，我们换成了100k的电阻，认为这样，存在的误差可能会对其放大倍数产生的影响比较小。 2.改变输出端并联的电容和电阻。原本以为所设置的电阻电容值可能滤波过多，将实际需要的信号部分出去，因而导致输出稍微偏小了。 但是两次尝试丝毫对我们的结果没有产生任何的影响，即使出现了正常的波形，其值依然没有达到我们设计的要求。最后偶然间，我们检查电路的时候，无意碰了直流稳压电源的接地线，结果得到了正常的波形，而且其峰峰值也和我们所期望的十分吻合。我们将输出接到了喇叭上，发出了正常的声音。最后给老师检查，没有任何问题。 图10 最终输出波形通过实验对电路的调试，以及最后得到的结果，我可以得出结论。总体来说，我所设计的方案，简单、合理，考虑全面，符合设计要求。5 心得体会 整个课程设计历时两个星期。短短的两周，却让自己有着很深刻的印象与体会。没有付出，没有收获，只有自己真正付出了劳动的汗水，才会收获累累硕果。 在设计之初，按照老师所给的要求，我们每一个人都需要自己独立设计三种方案，而且其中的一种方案需要使用到老师给定的电路元器件。接到任务后，我并没有马上开始方案的构思，而是将模拟电子技术的书本中，那写关于功率放大电路、集成运算放大器、还有放大电路的频率响应相关的内容复习了一遍，感觉相比之前又有了一些新的认识。只是在之前所没有感觉到的。虽然复习这些基础的东西花了我整整一天的时间，但我认为“磨刀不误砍材工”，做好了前期准备，相信之后的设计会得心应手。 设计过程中，确实遇到了许多的问题。因为之前确实没有做过如此的事情，难免会有些陌生。甚至不知道该如何下手。虽然有理论知识作铺垫，但是要真正运用到实际中去，这样的转变，自己一下子还没法适应过来。只能通过时间，一点一点地去熟悉这些事。刚开始构思的时候，想得很简单，功率放大，其实就是一个电压放大，直接使用运算放大器就可以了。其实自己想得没错，一种方案其实却是可以这样从理论上实现。但是自己似乎考虑过于复杂，把简单的问题复杂化，结果总认为自己的设计有问题。后来，也问了一下同学，让他帮我分析了一下我的构思，结果让我恍然大悟，自己原来所想的其实是正确的。有了这样的信心作支撑，接下去的设计过程，我就有底了。 看了书上的一些设计原理，我构思出了另两种方案，期间也在网上查了很多资料，关于lm386以及lf353的资料，当然我看到的不仅只是这些，顺便也了解了许多的东西。原本以为这样的芯片，价格会很贵，其实不然，确实通过这样的方式，我得到了大量课堂上所无法给予的知识，也许这就是课程设计的魅力所在吧！ 布线的过程，既简单，有很复杂。第一次接触到面包板，对于其确实很陌生，不知道其如何使用，通过网上的资料，我很快地就弄懂了。相信今后如果在遇到这类事，我就不会一头雾水了。还有其他的电路元器件，电容、电阻、也有很多让我不明白的地方，但是通过自己的努力，我也都一一解决了。这些难点解决后，连接对我来说，就是很简单的事。和其他组员一起合作，我们分工合作，各自负责所分配到